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Todo lo que puede fallar durante el lanzamiento y el despliegue del telescopio espacial James Webb

La gran cantidad de puntos de fallo posibles para este telescopio de 10.000 millones de dólares tiene a todos al borde de un ataque de nervios

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Imagen conceptual que muestra el lanzamiento del telescopio Webb, con la cofia separándose
Imagen conceptual que muestra el lanzamiento del telescopio Webb, con la cofia separándose
Imagen: ESA/D. Ducros

El telescopio espacial Webb, después de años de retrasos, finalmente ha llegado a la plataforma de lanzamiento. Es una ocasión trascendental, pero el observatorio aún debe pasar por un proceso de puesta en servicio complejo y sin precedentes que tardará seis angustiosos meses en completarse. La parte difícil, al parecer, aún está por llegar.

Desarrollado por las agencias espaciales estadounidenses, europeas y canadienses con la ayuda de contratistas privados como Lockheed Martin, Webb ha sido descrito como “el telescopio más complejo y poderoso jamás construido”. Con sus capacidades infrarrojas, Webb buscará estrellas y galaxias antiguas, estudiará la formación de estrellas y exoplanetas, y buscará vida en la Vía Láctea. El telescopio espacial tiene el potencial de transformar literal y figurativamente nuestra visión del cosmos y nuestra comprensión de nuestro lugar en él.

El entusiasmo por esta misión se ve acentuado por el hecho de que se suponía que el Webb iba a lanzarse en 2007, pero un rediseño importante que tiene que ver con su parasol, sobrecostes que casi duplicaron el presupuesto original, obstáculos técnicos, pruebas exhaustivas, problemas con el vehículo de lanzamiento elegido [hace una pausa para recuperar el aliento], la pandemia de covid-19 y los problemas durante el procesamiento en el Centro Espacial de Guayana conspiraron para posponer la fecha de lanzamiento al 25 de diciembre de 2021 (el despegue está programado entre las 12:20 y las 12:52 am UTC el día de Navidad).

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Imagen para el artículo titulado Todo lo que puede fallar durante el lanzamiento y el despliegue del telescopio espacial James Webb
Gráfica: NASA

El trabajo pesado, por así decirlo, parece haber quedado atrás, pero quedan muchos pasos antes de que el Webb pueda declararse en pleno funcionamiento. No puedo dar cuenta de todo lo que podría salir mal desde ahora hasta entonces, pero puedo repasar algunas etapas clave, e incluso algunos dispositivos tecnológicos que podrían crear problemas durante los próximos seis meses.

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Sin embargo, antes de llegar a eso, quiero hablar sobre el cohete Ariane 5 que llevará a Webb al espacio. El cohete de Arianespace es súper fiable, pero un problema técnico previo me está poniendo un poco nervioso ante el próximo lanzamiento. En dos ocasiones distintas en 2020, el cohete Ariane 5 experimentó aceleraciones inesperadas durante la separación de la cofia. Desde entonces, Arianespace ha corregido el problema y todo parece estar bien, pero no me encanta que esto haya sucedido. Me pondrá un poco más nervioso en la mañana de Navidad mientras bebo mi ponche de huevo y veo el lanzamiento.

Si no ocurre un fallo catastrófico del cohete (Dios no lo quiera), el lanzamiento podría producir vibraciones dañinas. Dicho esto, el Webb está diseñado específicamente para tolerar temblores previsibles. En 2016, las pruebas de vibraciones revelaron un problema con los amarres o “mecanismos de restricción de lanzamiento” que sostendrán las alas del espejo del telescopio. Las muchas pruebas acústicas y de vibración realizadas en el instrumento de 6500 kg deberían haber descartado esto, entre otros problemas potenciales, pero no lo sabremos hasta que el Webb finalmente llegue al espacio.

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Como explicó en un correo electrónico Alison Nordt, directora de instrumentación y ciencia espacial de Lockheed Martin, Webb no solo tiene que sobrevivir al lanzamiento, sino que también debe sobrevivir a su agresiva introducción en el espacio.

“Por supuesto que estoy muy emocionado por el lanzamiento del JWST, y definitivamente hay mucho en juego”, dijo Nordt. “El entorno espacial, incluido el lanzamiento, presenta muchas diferencias con respecto al suelo: cosas como cargas de lanzamiento (vibración y acústica), vacío (falta de aire), temperaturas extremas (especialmente para Webb que llega a unos -240 ° C) e ingravidez”, que no necesariamente se pueden probar sobre el terreno.

La secuencia de lanzamiento en sí debería ser un asunto rutinario, con los impulsores laterales del Ariane cayendo unos minutos después del despegue, seguidos por la cofia (el carenado de la carga útil). La etapa inferior del cohete continuará proporcionando el empuje necesario, pero una vez que se acabe el combustible, también tendrá que caer, dejando que la etapa superior se haga cargo del resto. Luego, la nave espacial debe realizar una serie de maniobras de oscilación para evitar que la radiación solar golpee un solo lado del telescopio ahora expuesto. La etapa superior se desechará unos 27 minutos después del lanzamiento, momento en el que Webb será independiente y volará por sí solo.

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Los lanzamientos siempre implican un elemento de riesgo, pero en este caso, son las cosas que sucederán a continuación las que podrían crear los mayores problemas. Con más pliegues que una escultura de origami, el telescopio espacial debe abrirse, emitir un bostezo metafórico y desplegar sus muchos componentes.

La nave espacial desplegará sus paneles solares aproximadamente a los 33 minutos de la misión “para que el Webb pueda comenzar a producir electricidad a partir de la luz del sol y dejar de agotar su batería”, escribe la NASA en las preguntas frecuentes del Webb. “Webb establecerá rápidamente su capacidad para orientarse y ‘volar’ en el espacio”. La antena de alta ganancia también se desplegará en este momento, con el fin de “permitir las tasas más altas disponibles de comunicación de datos tan pronto como sea posible”, según la NASA.

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Gráfica: NASA

El despliegue de los paneles solares será un asunto sensible al tiempo, pero también lo será la primera corrección de trayectoria. A diferencia del Hubble, que funciona en la órbita terrestre baja, Webb operará en el segundo punto de Lagrange, o L2. Este punto óptimo, situado entre la Tierra y el Sol, es muy estable, lo que significa que Webb no tendrá que usar una cantidad excesiva de combustible para mantenerse en posición. L2 se encuentra a 1,5 millones de km de la Tierra, por lo que el Webb tardará un mes completo en llegar allí, tiempo durante el cual la nave necesitará hacer algunas correcciones de rumbo. El primero, conocido como MCC-1a, ocurrirá unas 12,5 horas después de iniciada la misión.

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El primer día del Webb en el espacio parece intenso, pero las próximas semanas y meses también implicarán algunos pasos muy importantes, cualquiera de los cuales podría poner en peligro la misión, como explica SpaceNews :

Sin embargo, esos despliegues iniciales se encuentran entre los más críticos y riesgosos. En una sesión informativa de noviembre, Mike Menzel, ingeniero principal de sistemas de misión de JWST en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, dijo que hay 344 posibles fallos de un solo punto en la nave espacial, el 80% de las cuales están asociados con mecanismos de despliegue. “Cuando tienes un mecanismo de liberación, es difícil ponerle redundancia total”, dijo.

El parasol, por ejemplo, incluye 140 mecanismos de liberación, 70 conjuntos de bisagras, ocho motores de despliegue, alrededor de 400 poleas y 90 cables que tienen un total de 400 metros de largo, dijo Krystal Puga, ingeniero de sistemas de naves espaciales JWST en Northrop Grumman, durante esa sesión informativa de noviembre.

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El proceso de despliegue del parasol de cinco capas del telescopio comenzará tres días después del lanzamiento. Al ser un telescopio de infrarrojo, Webb necesita este escudo para minimizar la interferencia potencial. El telescopio está diseñado para detectar fuentes de calor, por lo que lo último que necesitan los científicos es captar el calor procedente de sus propios instrumentos. En la semana siguiente al lanzamiento, “las operaciones más críticas serán todos los despliegues de los parasoles y el tensado de las capas”, dijo Nordt a Gizmodo. “El despliegue de los parasoles está causando más discusiones en parte porque fue el sistema más difícil de probar como si volara”. Otras implementaciones, como el despliegue de los radiadores del Webb, se llevarán a cabo al mismo tiempo.

Para la segunda semana, el equipo debería estar terminando los despliegues, incluido el despliegue y el cierre del trípode del espejo secundario, la rotación y el cierre de las dos alas del espejo primario y el desbloqueo de los segmentos del espejo primario. El despliegue completo del telescopio debería completarse alrededor de 13 días después de la misión. Los efectos del parasol deberían comenzar a hacerse evidentes en esta época, causando un enfriamiento rápido de los instrumentos científicos.

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“El equipo del Webb ha hecho todo lo posible para probar todo y asegurar el éxito, y sé que todos respiraremos un poco más tranquilos una vez que se completen todas las implementaciones y podamos pasar a las alineaciones”, dijo Nordt.

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Gráfica: NASA
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El final del primer mes implicará una corrección de rumbo final (el día 29) y la inserción de Webb en su órbita L2. Será emocionante cuando los controladores enciendan los cuatro instrumentos científicos del observatorio: la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam), el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec), el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) y el sensor de guía fino/generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin hendidura (FGS-NIRISS).

“Una vez que se completan todas esas implementaciones, el siguiente paso de la puesta en servicio es el que más me entusiasma personalmente: encender la NIRCam para iniciar el meticuloso proceso de alineación de los 18 segmentos de espejos primarios”, dijo Nordt.

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Para comenzar este proceso de ajuste fino de los espejos, “126 actuadores extremadamente precisos en la parte trasera de los espejos posicionarán y doblarán o flexionarán sutilmente cada espejo en una prescripción específica, un proceso que llevará meses”, dice la NASA . NIRCam puede detectar distorsiones en la luz entrante con gran precisión, dijo Nordt, y estos datos permitirán al equipo que controla los segmentos individuales del espejo “trasladar, rotar y cambiar su curvatura”. Al final de este proceso de alineación, los 18 segmentos individuales servirán como un único espejo primario. “Como puedes imaginar, esas medidas de NIRCam tienen que ser exactamente correctas para que todo esto funcione”, explicó Nordt.

Estas comprobaciones iniciales de la óptica y las alineaciones del telescopio se llevarán a cabo durante los meses dos al cuatro. Los meses cinco y seis involucran calibraciones finales y la finalización del proceso de puesta en servicio. El Webb realizará observaciones de objetivos representativos para ayudar con las calibraciones, y las primeras demostraciones probarán la capacidad del observatorio para rastrear objetos como asteroides, cometas y lunas. Luego, el equipo preparará un informe preliminar para mostrar las capacidades del telescopio. Solo una vez hecho esto comenzará la fase oficial de operaciones científicas.

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El Webb debería permanecer en funcionamiento durante un mínimo de cinco años, pero la expectativa es que funcione durante al menos 10 y posiblemente 12. Durante esos años, el telescopio tendrá que realizar ligeros encendidos de motor para mantenerse en L2, pero el combustible requerido para estos ajustes eventualmente se agotará, después de lo cual el telescopio simplemente navegará a la deriva, terminando la etapa científica de la misión.

Sin una forma viable de reparar el telescopio en caso de que algo salga mal, y con 10 años de avances científicos en juego, estaremos al borde de nuestros asientos en la mañana de Navidad. La próxima década el Webb tendrá mucho trabajo, así como los astrónomos que planean usarlo. Para que todo esto suceda, las estrellas, al parecer, necesitarán estar en perfecta alineación.